[논문 리뷰] On the time variation of c, G, and h and the dynamics of the cosmic expansion

Ari Buchalter|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 09.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 빛의 속도 $c$, 만유인력상수 $G$, 플랑크 상수 $h$가 기본 상수보다는 우주의 우주적 팽창과 함께 변화하는 동적 양이며 기하학적 성질로 정의되는, 마친 프레임워크를 제안한다. 이는 팽창 기하학적 성질을 통해 유도된 평탄한, $Ω_0 = 1$인 우주를 도출하며, 인플레이션 또는 어두운 에너지를 도입하지 않고도 수평 문제, 평탄성 문제, 우주상수 문제를 자연스럽게 해결한다. 또한 $c$, $G$, $h$의 미세한 비영이 아닌 시간에 따른 변화를 예측하며, 이는 잠재적으로 검증 가능하다.

ABSTRACT

Several authors have recently explored the idea that physical constants such as c and G might vary over time and have formulated theories describing this variation that can address a range of cosmological problems. Such work typically invokes a generic parameterization which assumes a power-law variation with the expansion scale factor, R. This work offers alternative, physically motivated definitions for the parameters c, G, and h based on the Machian premise that these dimensional quantities reflect global dynamics of the expansion geometry. Together with a postulated conservation law and equations of motion, the implications of this theory for Friedmann models are examined, and found to yield several interesting conclusions including: (1) natural solutions to the horizon, flatness, and lambda problems, (2) the prediction of a flat, Omega_0 = 1 universe, (3) different forms for some cosmological scaling laws, (4) an apparent fit to observations of Type Ia supernovae without invoking a cosmological constant, (5) equivalence between our Universe and a black hole and apparent consistency of the model with the Holographic Principle, and (6) potentially testable predictions for the time variation of physical parameters, including values for c_dot and h_dot that are small but non-zero today and a value for G_dot that was negative and nonzero during radiation domination and decayed to effectively zero upon the epoch of matter domination. While this work does not attempt to provide the complete theoretical foundation that must ultimately underlie any theory that could naturally marry traditional physics with the notion of time-varying physical parameters, it is written in the hope that it might stimulate further progress towards this end.

연구 동기 및 목표

• 물리학에서 고정된 매개변수로 기능하는 기본 상수 $c$, $G$, $h$의 물리적 의미를 초월하여 탐구하는 것.
• 인플레이션 또는 우주상수를 도입하지 않고도 해결되지 않은 우주론적 문제들—예를 들어 수평 문제, 평탄성 문제, 우주상수 문제—를 해결하는 것.
• 우주의 전반적 팽창 역학에서 유래하는 $c(t)$, $G(t)$, $h(t)$로 구성된 물리적으로 타당한, 마친 모델을 개발하는 것.
• 특히 $\dot{c}_0$, $\dot{h}_0$, $\dot{G}$와 같은 물리 상수의 시간 변화에 대한 검증 가능한 예측을 도출하는 것.
• 선호되는 우주론적 기준 프레임이 존재하는 상황에서도 일반 상대성 이론과 히알로지컬 원리와의 일관성을 조사하는 것.

제안 방법

• 우주의 팽창 속도 $\dot{R}(t)$에 의해 $c(t)$와 $G(t)$가 정의되며, 이는 우주의 역학 기하학과 연결된다.
• 전역 질량 보존 법칙(가정 3)과 운동 방정식(가정 4)을 도입하여 물리적 매개변수의 진화를 다스리는 데 사용한다.
• $c(t) \propto \dot{R}(t)$로 가정하고, 보존 법칙과 프리드만 방정식을 통해 $G(t)$를 유도하며, 이로 인해 $G \propto R^{-1}$이 된다.
• $c(t)$와 $G(t)$에 대한 함수로 $h(t)$를 정의하여 양자역학적 및 중력 스케일과의 일관성을 확보한다.
• 프리드만 우주론 모델에 모델을 적용하여 척도 법칙을 도출하고 관측 가능한 우주론적 행동을 예측한다.
• 예측 결과를 제1형 초신성 관측 데이터와 비교하고, 히알로지컬 원리와 에너지 보존 법칙과의 일관성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 전반적 팽창 기하학에 의존하는 $c$, $G$, $h$의 시간 변화는 물리적으로 타당한가?
• RQ2 동적 상수를 가진 모델이 인플레이션이나 어두운 에너지를 도입하지 않고도 수평 문제, 평탄성 문제, 우주상수 문제를 자연스럽게 해결할 수 있는가?
• RQ3 현재 및 복사 우도, 물질 우도 동안 $c$, $G$, $h$의 예상 시간 변화는 무엇이며, 이는 검증 가능한가?
• RQ4 모델이 선호하는 우주론적 기준 프레임은 특수상대성 이론과 일반 상대성 이론과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 모델은 히알로지컬 원리와 전역 보존 법칙과 일관성이 있는가?

주요 결과

• 모델은 모든 시기에 $\Omega_0 = 1$인 평탄한 우주를 예측하며, 이는 평탄성 문제를 자연스럽게 해결한다.
• 모델은 인플레이션이나 우주상수를 요구하지 않고도 수평 문제와 람다 문제에 자연스럽게 해결책을 제공한다.
• 어두운 에너지를 도입하지 않고도 제1형 초신성 관측 결과와 일치하며, $\Lambda$CDM 모델의 대안이 될 수 있다.
• 현재 $c$와 $h$에 대해 비영이지만 미세한 시간 변화를 예측하며, $\dot{c}_0$과 $\dot{h}_0$는 약 $10^{-18}$ s$^{-1}$의 주요 스케일을 가진다.
• $\dot{G} < 0$이며 복사 우도 동안 비영이지만, 물질 우도에 진입하면서 점차 감소하여 0에 수렴하며, 관측 결과와 일치한다.
• 모델은 우리 우주와 블랙홀 사이의 이중성 관계를 시사하며, 히알로지컬 원리와 일관성이 있음을 나타낸다.